韓·中·夢
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 어플리케이션을 활용한 유모차의 미세먼지 차단장치
영문 : Particulate filter unit with controlling application in strolle
과제 팀명
한 중 뭉.
지도교수
장서일 교수님
개발기간
2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 손 용 진
서울시립대학교 환경공학부 이 석 준
서울시립대학교 환경공학부 장 단 위
서울시립대학교 환경공학부 조 흠
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
본 설계는 유모차의 프레임(골격)에 부착되는 커버체에 미세먼지를 차단하는 필터와 공기를 유입시킬 수 있는 팬이 결합되어(이하 필터유닛) 유아를 미세먼지로부터 보호할 수 있는 미세먼지 차단장치, 유모차 실내공기를 배기하여 통풍시킬 수 있는 배기구와 대기질 센서가 결합되는 배기· 센서장치, 태양광 패널과 보조 배터리(USB 충전식)를 장착한 전원공급장치와 센서에서 수집된 데이터를 유아의 보호자의 스마트폰에 전송하여 앱으로써 확인 및 조작할 수 있도록 하는 블루투스가 결합되는 전원· 통신장치에 관한 것이다.
본 설계에 따른 유모차의 커버체와 이에 부착되는 일련의 장치는 태양광 패널을 활용한 친환경적인 전원공급 시스템을 바탕으로 외부에서 커버체 내부로 유입되는 공기를 필터유닛을 통해 미세먼지를 제거하면서 센서를 활용하여 보호자가 실시간으로 유모차 내부의 대기질 상태를 확인 및 대응할 수 있도록 함으로써 오염된 외부공간의 이동 간 오염에 상대적으로 취약한 유아의 생활환경 질을 쾌적하게 유지· 조성하는 것을 특징으로 한다.
여기에 올리시는거 아니에요...
개발 과제의 배경
대기오염 정도가 심한 도시공간에 신체가 노출되었을 때 오염부하에 의한 충격으로부터 신체 보호체계가 상대적으로 덜 발달한 유아의 경우 호흡기계와 피부를 통해 침투한 미세먼지에 더 취약하다. 이 문제는 오염된 외부공간을 유아가 이동할 시에 극대화 되는데, 현재 이를 해결하기 위해 외부공간과 이동수단(이하 유모차)을 물리적으로 분리하는 방법이 제시되고 있다.
하지만 공기 순환이 잘 이루어지지 않는 상대적으로 밀폐된 공간에 장시간 체류할 때에는 유아의 호흡 대사에 따라 산소 감소 및 이산화탄소의 증가가 발생하는 반면 새로운 공기 유입은 부족하므로 공기 중의 산소가 부족해지는 대신 이산화탄소가 증가하여 유모차 실내 대기질이 악화되는 경우가 많다.
기존의 제시된 방법은 이러한 문제를 해결하기 위해 유아가 탑승하는 유모차에 산소를 공급하면서 호흡 대사에 따른 이산화탄소와 다른 유해 가스 및 공기 중의 이물질을 제거해 주는 공기 정화 및 산소 발생장치를 구비하는 유모차가 제안된 바 있다.
그러나 이러한 종래의 공기 정화 및 산소 발생 기능을 갖는 유모차는 펌프를 이용하여 공기를 송출하고 송출된 공기를 여과하여 유모차에 산소를 공급하는데, 산소발생장치와 펌프, 팬 및 배터리 등으로 구성되는 구동장치로 인하여 부피와 무게가 대폭 증가하므로 사용이 불편하며 밀폐된 공간에 격리되는 유아가 접하게 되는 실내 대기질의 상황을 보호자가 실시간으로 확인할 수 없으므로 제품 구매력이 있는 소비자에 제품 기능의 신뢰성을 지속적으로 확보하는 데 한계가 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
① 유모차의 프레임(골격)에 컴펙트한 구조의 미세먼지 차단장치를 설치하여 유아를 미세먼지로부터 보호할 수 있으면서 유모차 무게 증가를 최소화하여 이용의 편의성을 높인 장치를 제시하고,
② 유모차 내부의 실내 대기질 상태에 관한 정보를 보호자에게 제공함으로써 소비자에 제품 기능의 신뢰성을 지속적으로 확보할 수 있으며
③ 이 시스템의 구동에 필요한 전원장치를 친환경적으로 구성하여 환경 중에 가해지는 오염부하를 낮추는 데 기여함으로써 문제의 원인이 되는 대기오염의 근본적인 개선에 긍정적 역할을 할 수 있도록 하는 등
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석
- 전 세계적인 기술현황
1. 하이필터(HI-FILTER) 시스템 2. 무필터 제거장치내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- 기술 로드맵
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
Kisbean 유모차의 경우 일본에서 미세먼지 Lysozyme 여과망을 수입하고 있어 가격이 비싼 편이다. 유모차 프레임까지 자체 제작이고, 캐노피(Canopy)만 내려올 뿐 완전히 막혀 있지 않아 미세먼지의 위험으로부터 차단되었다고 말할 수 없다.
등록실용신안 제20-0451585호의 경우 유아가 안에서 움직이면서 동력을 발생시켜 산소를 발생시키기 때문에 동력 부문에서는 가장 우수하다. 그러나 역시 캐노피 정도로만 보호하고 있고, 유아가 수면을 취하는 등 동력이 없는 상황에서는 산소가 발생하지 않을 것으로 추정되고 산소 역시 가연성 위험물질인 만큼 세심한 주의가 필요하다. 시판되고 있지 않은 이유는 이러한 이유 때문인 것으로 보인다.
에어토리의 경우 한국에서 많이 알려졌고 가장 강한 경쟁상대로 보인다. 에어토리는 휴대가 간편하고 캐노피만 있든 밀폐되어 있든 어디든지 쓸 수 있지만, 센서가 없어 미세먼지가 얼마나 걸러지고 있는지 알 수 없으며 필터가 제대로 작동하는지도 알 수 없다. 센서가 없다는 것은 위 3개의 경쟁 제품에서 공통적으로 나타나는 단점이다. 또한 에어토리는 필터 정압이 올라가서 공기순환이 원활히 되지 않는 것을 우려해 KF94 필터를 사용하여 미세먼지 차단율이 비교적 낮다.
반면 본 제품은 태양광 패널을 사용하여 배터리 작동식 제품들보다 비교적 친환경적이고, 폐쇄형에서만 작동해 미세먼지의 유입을 확실히 차단할 수 있다. 또한 HEPA 필터를 사용해 미세먼지 차단율이 높다. 필터 정압은 모터로 해결하고자 한다. 그리고 미세먼지와 온·습도 센서가 부착되어 있어 정말 미세먼지가 차단되는지에 대한 의심을 근절할 수 있다. 또한 필터가 노후화되어 미세먼지가 잘 걸러지지 않는 걸 쉽게 확인할 수도 있다. 이상의 이유로 본 제품이 경쟁 제품들에 비해 확실한 경쟁력을 갖고 있다는 것을 주장할 수 있다.
- 마케팅 전략 제시(SWOT)
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
기술적 기대효과 시중에 나와 있는 초미세먼지 필터를 이용한다고 가정해보자. 이 필터는 유량 300에 포함된 0.1의 직경 2.5 초미세먼지의 경우 99%의 제거 효율을 보인다. 본 설계에서의 통풍구 반경을 0.1로 상정하고, 이를 통해 계산한 넓이에 맑은 날 잔잔한 바람이 이는 정도인 풍속 3를 곱하면 필터를 통과하는 공기유량 339를 얻을 수 있다. 이 공기유량은 3M사의 Lab Test에서 가한 유량 300와 비슷하거나 좀 더 높지만, 0.1의 미세먼지 농도는 환경부가 고시한 매우나쁨 농도(75)보다 오히려 현저히 높은, 더 불리한 조건이므로 본 설계의 필터도 PM2.5의 초미세먼지를 99%의 효율로 제거할 수 있다고 추정할 수 있다. 2.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
아마 우리나라만큼 미세먼지에 지대한 관심을 가지고 있는 국가는 없을 것이다. 하지만 그만큼 미세먼지로부터의 영·유아 보호에 관심을 쏟고 있지는 않는 듯하다. 미세먼지 관련 예보를 보더라도 PM10에만 신경쓰거나, 아이에게 마스크만 씌우는 부모도 있다. 유모차용 공기청정기가 개발되어 있기는 하나, 완전히 닫혀있지 않은 공간에서 한정적인 부분만 정화시켜줘서 그 실효성이 의심스럽다.
여기서 본 제품의 등장으로 미세먼지에 비해 약간은 생소한 개념인 초미세먼지에 대한 경각심을 불러일으킬 수 있을 것이다. 한 상품이 성공을 거두면 우후죽순처럼 모방 아이템이 자라난다. 그렇게 모방하고 모방하면서 어떻게 하면 더 효과적으로 상품을 판매할지, 더 좋은 상품을 만들지 고민하면서 상품의 질이 높아지는 것이다. 한편으로는 본 제품 역시 초미세먼지에 의해 발생하는 장기적 피해를 최소화시켜, 국민 전체의 삶의 질을 높이는 본래의 역할을 충실히 수행한다.
앞서 제품의 타깃을 중국 등 해외 시장으로 돌린 이유를 충분히 설명했기 때문에, 여기에서는 구매가능 인원의 대략적인 수와 판매이윤을 계산하겠다.
판매 타깃으로 잡은 나라들의 대표적인 공통점 두 가지는 다음과 같다: ➀ 중산 계층이 급부상하고 있다. ➁ 한때 폭발적인 인구 증가로 산아제한정책을 추진하였으나, 노동력 감소와 고령화 사회로의 전환 등을 우려하여 다 시 폐지하는 방향으로 나아가고 있다.
중국의 경우 2012년에는 연간 소득이 $16,000 이상인 'Upper Middle'과 $34,000 이상인 ‘Affluent' 계층이 고작 17%에 불과했지만, 현재 폭발적으로 증가하는 추세이며 2022년에는 무려 전체 인구의 63%에 달할 것으로 추정되고 있다.
중국의 현재 인구는 13.7억이고 그 중 0~4세에 해당하는 영·유아의 비율은 약 4%정도이다. 따라서, 중국의 부유 중산층 가정에서 태어난 신생아의 수는 약 3,500만 명이고, 현재 중국의 출산율이 1.5명 정도이므로 한 가정에서 2명 이상의 자녀가 태어날 경우 유모차를 돌려쓴다고 가정해도, 약 2,300만 명의 잠재 구매 고객이 있다고 볼 수 있는 것이다.
본 제품의 가격을 15만 원으로 상정하고 2,300만 가정에 판매한다면, 제작비 107,000원을 제외한 43,000원의 이윤으로 약 1조 원의 순이익을 남길 수 있다. 하지만 한편으로는 시장 점유율로 인해 모든 중산층 가정에 본 제품을 판매하는 일은 불가능에 가깝고, 대량 생산으로 재료비를 줄인다고 해도 무시 못 할 정도의 인건비, 유통비 등이 추가로 들어가는 것은 더 고려해봐야 할 대상이다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇손용진(조장)개념 개발 전원부 외로 구성 ◇장단위 중국 자료 조사 마케팅 ◇이석준 개념 설게 포로그래밍 ◇조흠 중국 자료 조사 센서 회로 구성
설계
설계사양
제품의 요구사항
개념설계안
이론적 계산 및 시뮬레이션
상세설계 내용
필터부와 배기부를 커버몸체 좌측과 우측에 배치하여 공기의 흐름을 좌측에서 우측으로 유도하고, 배기부에 센서부를 결합하여 유출되는 공기질 측정토록 설계하는 방법이다.
필터부와 배기부가 마주보고 있어 통풍이 원활하며, 센서부가 배기부 부분에 위치하고 있어 배출되는 공기질에 대한 정보를 보호자에게 전달해 신뢰성을 제고할 수 있다. 통신부를 담당하는 블루투스 모듈은 유모차 상부에 위치하여 보호자가 어느 위치에 있든 통신이 용이하다.
미세먼지 제거 측정 실험 결과 환기가 지속됨에 따라 서서히 미세먼지 농도가 낮아짐을 확인 할 수 있었다.
본 실험의 결과 ① 환기시간이 이론적 계산시간과는 상당히 차이 났고, ② 미세먼지 농도가 안정적으로 낮아지지 않고, 증가와 감소를 반복하는 등 이상의 사실을 알 수 있었다.
이러한 현상은 ① 유입되는 공기가 필터에서 여과되어 공급되므로 여기서 발생하는 여과저항으로 인하여 팬의 환기성능이 낮아지고, ② 필터를 거쳐 내부로 유입된 공기가 혼합·희석되지 않고 단락류(short circuit flow)와 사류부(dead-zone) 등이 발생하여 내부 공기 질이 안정적으로 조성되지 못하는 등 이상의 원인에 기인할 것으로 판단하였다.
따라서 ① 필터에서의 여과 저항을 고려하여 팬 성능을 일정수준 이상 확보해야 유모차 내부의 효과적인 환기가 가능하며, ② 내부로 유입된 공기가 혼합·희석될 수 있도록 유체의 흐름을 조절하기 위한 유공 커버체를 추가하는 등 이상의 고려점을 도출할 수 있었다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
◇ 태양광 패널을 활용한 전원부 구성 ◇ 송풍장치의 임펠러 회전속도 제어 개발 ◇ 유모차 내부 공기질 균질화 및 환기소요시간 단축 ◇ 수동 컨트롤러의 제작 ◇ 스마트폰 어플리케이션의 기능 차별화
